AD與DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計說明書

1、中北大學(xué)課程設(shè)計說明書學(xué)生姓名:XXX學(xué) 號：XXXXXXXXXX學(xué) 院:電子與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院專 業(yè):微電子學(xué)題 目:A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計指導(dǎo)教師：XXX 2012年 12 月 31 日目錄1、課程設(shè)計目的.22、課程設(shè)計內(nèi)容和要求 2.1、設(shè)計內(nèi)容.2 2.2、設(shè)計內(nèi)容.23、設(shè)計方案 3.1、設(shè)計思路.2 3.2、總體設(shè)計框圖.2 3.3、工作原理.3 3.4、硬件電路原理圖.9 3.5、PCB版圖設(shè)計.114、課程設(shè)計總結(jié).125、參考文獻(xiàn).11、課程設(shè)計目的 掌握電子電路的一般設(shè)計方法和設(shè)計流程； 學(xué)習(xí)使用PROTEL軟件繪制電路原理圖及印刷板圖； 掌握應(yīng)用EWB對所設(shè)計的電

2、路進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果驗證設(shè)計的正確性。2設(shè)計內(nèi)容和要求 查閱熟悉相關(guān)芯片資料； 輸入正弦波通過A/D轉(zhuǎn)換，把產(chǎn)生的數(shù)字信號通過LED數(shù)碼管顯示； 使該數(shù)字信號再通過D/A轉(zhuǎn)換； 通過仿真比較輸入的正弦波和輸出的模擬信號； 利用PROTEL繪制原理圖電路和印刷板圖，并利用EWB軟件仿真。3 總體設(shè)計方案3.1 A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案設(shè)計一個A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路，可以用單片機(jī)做主控制器，采集正弦波，通過ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，利用單片機(jī)主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過LED數(shù)碼管顯示數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過DAC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。將輸入的正弦波于最后轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號進(jìn)行比較

3、，進(jìn)而達(dá)到實(shí)現(xiàn)A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。3.2總體設(shè)計框圖 圖1總體設(shè)計方框圖 A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機(jī)AT89C51，數(shù)字信號轉(zhuǎn)換采用芯片ADC0809，模擬信號轉(zhuǎn)換采用芯片DAC0832，使用LED數(shù)碼管顯示數(shù)字信號。3.2.1 主控制器單片機(jī)AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。3.2.2 ADC轉(zhuǎn)換器ADC0809有三個主要組成部分：256個電阻組成的電阻階梯及樹狀開關(guān)、逐次比較寄存器SAR和比較器。電阻階梯和樹狀開關(guān)是ADC0809的

4、一個特點(diǎn)。另一個不特點(diǎn)是，它含有一個8通道單端信號模擬開關(guān)和一個地址譯碼器。地址譯碼器選擇8個模擬信號之一送入ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2 ADC0809引腳圖圖3 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)表1 通道選擇表 圖2為引腳圖。各引腳功能如下：（1）IN7IN0模擬量輸入通道（2）ALE地址鎖存允許信號（22腳），是通道地址鎖存輸入端。當(dāng)ALE上升沿到來時，地址鎖存器可對ADDA、ADDB、ADDC鎖定。下一個ALE上升沿允許通道地址更新。實(shí)際使用中，要求ADC開始轉(zhuǎn)換之前地址就應(yīng)鎖存，所以通常將ALE和START連在一起，使用同一個脈沖信號，上升沿鎖存地址，下降沿則啟動轉(zhuǎn)換

5、。（3）START轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫為ST.（4）A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表1。（5）CLK時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。（6）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（7腳）。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信

6、號使用。是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，由ADC內(nèi)部控制邏輯電路產(chǎn)生。當(dāng)EOC=0時表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，當(dāng)EOC=1表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。因此EOC可作為微機(jī)的中斷請求信號或查詢信號。顯然只有當(dāng)EOC=1以后，才可以讓OE為高電平，這時讀出的數(shù)據(jù)才是正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。（7）數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。為最低位，為最高。 （8）OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。（9） +5V電源。 （10）參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為(=+5V, =-5V)。3.

7、2.3顯示電路 顯示電路采用8位共陽極LED數(shù)碼管，段選接P0口，位選接P1.0P1.3, 在AT89C51的控制下，由ADC0809采集且轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由PO口輸出送液晶顯示模塊LED上顯示。數(shù)字信號通過芯片DAC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過示波器顯示。3.2.4 DAC轉(zhuǎn)換芯片DAC0832是用CMOS工藝制成的20只腳雙列直插式單片八位D/A轉(zhuǎn)換器。它由八位輸入寄存器、八位DAC寄存器和八位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。它有兩個分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)兩次緩沖，所以使用時有較大的靈活性，可根據(jù)需要接成不同的工作方式。DAC0832芯片上各管腳的名稱和功能說明如下：1.引腳功能DA

8、C0832的邏輯功能框圖和引腳圖如圖4所示。各引腳的功能說明如下：圖4 DAC0832的邏輯功能框圖和引腳圖 ：片選信號，輸入低電平有效。 ILE ：輸入鎖存允許信號，輸入高電平有效。 ：輸入寄存器寫信號，輸入低電平有效。 ：DAC寄存器寫信號，輸入低電平有效。 ：數(shù)據(jù)傳送控制信號，輸入低電平有效。 ：8位數(shù)據(jù)輸入端，DI0為最低位，DI7為最高位。 ：DAC電流輸出1。此輸出信號一般作為運(yùn)算放大器的一個差分輸入信號（通常接反相端）。 ：DAC電流輸出2， + = 常數(shù)。 ：反饋電阻。 ：參考電壓輸入，可在+10V10V之間選擇。 ：數(shù)字部分的電源輸入端，可在+5V+15V范圍內(nèi)選取，+15V

9、時為最佳工作狀態(tài)。 AGND：模擬地。 DGND：數(shù)字地。3.3工作原理及硬件框圖3.31.1 A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間的接口電路，A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，要求輸入的模擬電壓保持不變，但在A/D轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號是離散的，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣，然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)化為輸出的數(shù)字量，一般來說，轉(zhuǎn)換過程包括取樣、保持、量化和編碼四個步驟。 A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟如下 ：(一)采樣和保持采樣（又稱抽樣或取樣）是對模擬信號進(jìn)行周期性地獲取樣值的過程，即將時間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離

10、散、幅度上等于采樣時間內(nèi)模擬信號大小的模擬信號，即轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖。為了不失真地用采樣后的輸出信號來表示輸入模擬信號，采樣頻率必須滿足：采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號最高頻率分量的兩倍，即2fmax，其中,為輸入信號的上限頻率（即最高次諧波分量的頻率）。 ADC把采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間，所以在每次采樣結(jié)束后都需要將這個斷續(xù)的脈沖信號保持一定時間以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(二) 量化和編碼輸入的模擬信號經(jīng)采樣和保持電路后，得到的是階梯形模擬信號，它們是連續(xù)模擬信號在給定時刻上的瞬時值，但仍然不是數(shù)字信號。必須進(jìn)一步將階梯形模擬信號的幅度等分成n級，并給每級規(guī)定一個基準(zhǔn)電平值，然后將階梯電

11、平分別歸并到最鄰近的基準(zhǔn)電平上。這個過程稱為量化。量化中采用的基準(zhǔn)電平稱為量化電平，采樣保持后未量化的電平值與量化電平值之差稱為量化誤差，即=-。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法（或稱四舍五入法）。我們將用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。此時把每個采樣值脈沖都轉(zhuǎn)換成與它的幅度成正比的數(shù)字量，才算全部完成了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。只舍不入的方法是：取最小量化單位Um/2n，其中Um為模擬電壓最大值，n為數(shù)字代碼位數(shù)，將0之間的模擬電壓歸并到0，把2之間的模擬電壓歸并到1，依此類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為。比如，將01V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼。有=1V/8，

12、那么01V/8之間的模擬電壓歸并到0，用000表示，1V/82V/8之間的模擬電壓歸并到1，用001表示,，依此類推直到將7V/81V之間的模擬電壓歸并到7，用111表示，此時最大量化誤差為1V/8。該方法簡單易行，但量化誤差比較大，為了減小量化誤差，通常采用另一種量化編碼方法，即有舍有入法。有舍有入的方法是：取最小量化單位=2Um/（2n+11）,其中Um仍為模擬電壓最大值，n為數(shù)字代碼位數(shù)，將0/2之間的模擬電壓歸并到0，把/23/2之間的模擬電壓歸并到1，依此類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2。用此法重做上例，將01V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼。有=2V/15，那么將01V/

13、15之間的模擬電壓歸并到0，用000表示，把1V/153V/15以內(nèi)的模擬電壓歸并到1，用001表示，直到將13V/151V之間的模擬電壓歸并到7，用111表示，很明顯此時最大量化誤差為1V/15。比上述只舍不入方法的最大量化誤差1V/8明顯減小了(減小了近一半)。因而實(shí)際中廣泛采用有舍有入的方法。當(dāng)然，無論采用何種劃分量化電平的方法都不可避免地存在量化誤差，量化級分的越多（即ADC的位數(shù)越多），量化誤差就越小，但同時輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就越多，要實(shí)現(xiàn)這種量化的電路將更加復(fù)雜。因而在實(shí)際工作中，并不是量化級分的越多越好，而是根據(jù)實(shí)際要求，合理地選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。圖5表示了兩種不同的量化編碼

14、方法。14/83/82/81/805/86/87/8111 7=7/8V110 6=6/8V101 5=5/8V100 4=4/8V011 3=3/8V010 2=2/8V001 1=1/8V000 0=0V二進(jìn)制編 碼代表的模擬電平UI(V)輸入信息0000 0=0V17/155/153/151/159/1511/1513/15111 7=14/15V110 6=12/15V101 5=10/15V100 4=8/15V011 3=6/15V010 2=4/15V001 1=2/15V二進(jìn)制編 碼代表的模擬電平UI(V)輸入信息(a) 只舍不入法 (b) 有舍有入法圖4 兩種量化編碼方法的比

15、較3.3 D/A轉(zhuǎn)換過程 設(shè)需要轉(zhuǎn)換的n位的二進(jìn)制數(shù)字量是，,其大小可表示為： D=+ + + + DAC按照上式將二進(jìn)制數(shù)的每一位轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的模擬量，然后相加起來，就得到與該數(shù)字量大小成正比的模擬量。通常一個D/A變換器的組成，主要由電子開關(guān),電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放組成.如下圖所示: 該電阻網(wǎng)絡(luò)加有基準(zhǔn)電源US，與權(quán)電阻配合產(chǎn)生各種規(guī)格的電壓。 U0是這一系列二進(jìn)制電壓的迭加值，電壓正是US量化的結(jié)果， U0的表達(dá)式為： U0 =(d1+ d 221 + d 3 22+ + d n 2n-1) US 從上式可看出，輸出的模擬電壓U0的大小與數(shù)字量d成正比，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的變化。

16、3.41硬件電路原理圖電路圖3.42電路仿真電路仿真圖1仿真圖23.5 PCB版圖PCB版圖1PCB版圖24、 課程設(shè)計總結(jié)這是自己第一次做的課程設(shè)計，從查資料到完成設(shè)計整整花了兩個星期。在設(shè)計電路中遇到了很多自己不懂的知識，必須自己去查閱，去學(xué)習(xí)。特別是單片機(jī)，以前沒學(xué)過在這花費(fèi)的時間比較多，單片機(jī)的軟件語言還沒學(xué)會，還需要自己以后多加的學(xué)習(xí)。一開始本想用protel99 se軟件去做，但是后來發(fā)現(xiàn)有很多器件在protel99 se軟件中都沒找到，給自己設(shè)計電路帶來了很多的不便，只能改在proteus軟件上去做。PCB版圖的制作要細(xì)心，耐心的去布線。從這次的課程設(shè)計中，加強(qiáng)了自己獨(dú)立思考和解決問題的能力，使我深刻的意識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把